宗煜翔, 萬芳新, 蒲軍, 黃曉鵬
摘要: 概述了國內外生物質制粒成型機理的研究現狀, 分別從生物質制粒成型力學模型, 制粒成型壓縮過程和微觀成型機理三個方面進行了闡述, 指出了我國生物質制粒成型機理的研究方向.
生物質原料主要包含農作物秸稈, 薪柴, 以及林業加工剩餘物, 城市固體廢料, 畜禽糞便和能源作物, 生物質的應用涉及能源, 飼料, 化肥, 汙水治理, 粉末冶金, 燃料電池, 造紙等多個領域[1].
生物質制粒成型技術是將密度較小的各類生物質原料通過加壓的方式壓縮成密度較大的成型顆粒 [2- 4]. 目前, 國內外將成型工藝和成型設備作為了生物質制粒成型技術的主要研究方向, 濕壓成型, 熱壓成型和炭化成型是主要的成型工藝; 螺旋擠壓式成型機, 活塞衝壓式成型機和壓輥式成型機是應用比較廣泛的成型設備, 制粒成型設備又分環模, 平模成型機和螺旋擠壓成型機. 現在對成型工藝和成型設備的研究均取得了重大進展, 但對生物質制粒成型機理的研究還不夠深人. 生物質制粒成型機理是生物質制粒成型技術研究的重要組成部分, 可為生物質制粒成型工藝的制定和成型設備的設計及優化提供理論基礎.
1生物質制粒成型機理研究現狀
目前, 生物質制粒成型機理的研究主要集中在制粒成型力學模型, 制粒成型壓縮過程和微觀成型機理三個方面.
1.1制粒成型力學模型研究現狀
Holm等 [5- 7]建立了木質粉體在環模孔內擠壓的力學模型, 推導出了擠壓力力學模型, 並對力學模型進行了改進, 從而解決了泊松比, 摩擦係數和預加作用力相互耦合而難以確定的問題. Osobov [8]以草顆粒作為原料進行試驗與分析, 得出物料的初始密度和壓縮程度對壓縮力大小的影響規律. Rolfe等 [9]提出了擠壓力與環模轉速成反比. Adapa等 [10]在相同的調製條件下對乾燥與脫水的苜蓿草進行了顆粒質量對比試驗, 並建立了苜蓿草顆粒的硬度模型.
曹康等 [11]將擠壓制粒成型過程劃分為供料區, 變形壓緊區, 擠壓成型區, 並對擠壓成型區的受力狀況進行了力學分析. 吳勁峰等 [12]對不同粒度的苜蓿草粉進行制粒過程類比實驗, 建立了擠出力與粉體粒度, 密度的數學模型. 黃曉鵬等 [13]利用正交試驗設計, 建立了制粒密度與擠出力, 物料含水率的數學模型. 周曉傑等 [14]採用電測技術, 得出了苜蓿草徑向力的變化與壓縮密度, 初始密度和壓縮速度密切相關的結論. 楊軍太等 [15]對物料在壓模筒中的受力進行了分析, 得出了物料與壓力之間的關係, 並分析了軸嚮應力與徑嚮應力的關係. 施水娟等 [16]建立了擠壓力學模型, 並應用有限元軟體對環模進行分析, 獲得了環模軸向, 周嚮應力與位移的關係. 張煒等 [17]應用有限元軟體對環模孔進行靜力分析, 得到了環模孔軸嚮應力與變形的分布規律, 確定了環模孔錐角對軸嚮應力的影響. 武凱等 [18]通過對成型過程與機理進行分析, 建立了環模力學模型和扭矩模型, 分析了物料特性和結構參數對環模受力的影響.
1.2制粒成型壓縮過程研究現狀
Rehkuglar等 [19]利用流變力學模型分析了成型過程中物料的變化規律. Bock等 [20]進行了草物料壓縮應力試驗, 得出了草物料壓縮過程的流變方程式. 對生物質壓縮成型影響較大的是粒子的充填特性, 流變特性和壓縮特性, 其中壓力, 含水率和粒徑是主要的影響因素 [21]. Bock等 [22]發現在草顆粒制粒過程中, 連接草粉粒子之間的物理力決定了顆粒質量.
楊明韶等 [23]對秸稈類物料的流變學特性進行了研究. 鐘啟新等 [24]通過分析壓縮過程中物料粒子之間相互作用力的關係得出了影響顆粒質量的因素. 白煒等 [25]對秸稈顆粒進行了壓縮成型類比實驗, 為了更有針對性地對壓縮過程進行研究, 將成型特性曲線分成四個區間, 並建立了鬆散, 過渡和壓緊階段的數學模型. 李永奎等 [26]應用離散元法對玉米秸稈粉料壓製成型過程進行了類比, 建立了玉米秸稈粉料緻密成型過程的離散元分析模型. 董玉平等 [27]從塑性力學理論的角度建立了壓縮過程的力學模型, 並應用有限元分析軟體對擠壓過程進行類比, 得到物料在擠壓過程中的變化規律, 揭示了在成型過程中生物質內部應力應變的變化過程. 高名望 [28]對成型過程中的溫度場進行了有限元類比, 得到了成型過程中生物質溫度場的分布規律. 申樹雲 [29]應用有限元軟體對環模進行了多個物理場的耦合分析, 得到了環模整體應力應變及溫度場的分布規律.
1.3微觀成型機理研究現狀
Lindley等 [30]將成型物內部的黏結力類型和黏結方式分為以下五類: ①固體顆粒橋接或架橋; ②非自由移動黏結劑作用的黏結力; ③自由移動液體的表面張力和毛細壓力; ④粒子間的分子吸引力或靜電引力; ⑤固體粒子間的充填或嵌合. 他們認為生物質燃燒特性可以用這幾種黏結類型來解釋內部的成型機理. Kaliyan等 [31]發現顆粒間的結合方式主要是由天然黏合劑 (纖維素, 蛋白質) 形成的固體橋接.
郭康權等 [32]測量了不同成型條件下的粒子二向平均粒徑, 得出了粒子二向平均粒徑與成型條件的關係, 通過顯微鏡觀察粒子間的結合形式, 建立了粒子微觀結合模型. 徐廣印等 [33]通過對比三種秸稈壓縮前後微觀結構的變化, 得出了秸稈成型顆粒的微觀結合方式, 提出了最佳壓縮條件. 田瀟瑜等 [34]在不同的成型條件下觀察秸稈顆粒的微觀結構, 分析了成型條件與微觀結構之間的關係, 研究表明, 秸稈顆粒粒子之間的結合形式主要以機械鑲嵌, 天然黏結劑黏結為主. 霍麗麗等 [35]通過對比不同物料, 不同階段的物料微觀形態和粒子結合形式, 得出了生物質顆粒燃料微觀成型機理為分層式壓縮, 可分為中心層, 過渡層和表層壓縮. 邢獻軍等 [36]對生物質顆粒成型過程中的微觀形貌進行觀察研究, 探究了平模成型機供料區, 壓緊區, 壓實區, 成型區顆粒粒體間的結合形式. 齊菁等 [37]從物理結合形式上分析了稻殼顆粒的微觀成型機理, 研究表明, '片搭' 是稻殼原料之間物理結合的主要形式. 盛奎川等 [38]從宏觀與微觀的角度研究了生物質成型機理, 從宏觀角度分析了成型條件對顆粒物理品質的影響, 從微觀角度分析了顆粒品質與粒子特性, 生化特性和電勢特性之間的關係. 吳雲玉等 [39]建立了生物質機械接觸幾何模型, 確定了壓輥正壓力與生物質表面斜角之間的數學關係, 分析了分子電化學微觀機理及能量微觀機理, 揭示了壓縮溫度在壓縮成型過程中的作用及重要性, 說明了生物質成型燃料能量和密度提高的原因.
2生物質制粒成型機理研究與展望
從研究現狀來看, 生物質制粒成型機理的研究取得了巨大進展. 在力學模型的研究方面, 建立了若干個關於環模力學特性的數學模型和扭矩模型; 在壓縮過程的研究方面, 關於物料機械特性及流變特性的研究均取得了很大的進展; 在微觀成型機理的研究方面, 揭示了不同物料微觀成型結構和顆粒粒子間的結合方式, 初步建立了從宏觀到微觀的過渡成型機理. 這些研究成果為生物質制粒成型的工藝制定及成型設備的優化提供了理論依據. 今後, 應對以下幾個方面進行深人研究.
(1)制粒成型中所用的物料大多屬於非連續介質的粉粒體, 非連續介質力學適用於生物質顆粒的力學分析. 目前對非連續介質的理論研究還不夠深人, 為了更加全面地揭示制粒過程中物料的力學特性, 應完善非連續介質的力學理論.
(2)對生物質制粒成型力學模型進行了大量研究, 並建立了許多擠壓力學模型, 但這些力學模型都是建立在單一物料和特定的壓縮條件下. 由於制粒成型中所用的物料多種多樣, 其成型壓縮條件也存在著較大差異, 因此需要建立適應性更加廣泛的物料擠壓力學模型和數學模型.
(3)目前在生物質制粒成型壓縮過程的研究中, 只是對單一的物理場進行了數值類比, 如壓力場, 溫度場或速度場等. 由於制粒成型過程具有複雜性, 多變性和系統性, 因此僅做單一的物理場分析還不能全面地反映制粒成型過程中的物料變化規律, 需要對物理場進行多場耦合分析. 其次, 對生物質壓縮過程的研究主要集中在流變學特性和力學特性等方面, 對壓縮過程中的粒子特性, 生化特性和電學特性還需要進行深人的研究.
(4)生物質制粒微觀成型機理的研究主要集中在對生物質顆粒壓縮前後其內部結構的微觀表徵方面, 對顆粒間的結合形式只是做了一些定性分析. 將定性與定量分析結合在一起才能夠更加全面地詮釋微觀成型機理, 將宏觀與微觀相結合才更有利於探索顆粒微觀結構形貌及顆粒間結合形式對制粒質量的影響.
(5)對生物質制粒成型機理的研究主要集中在物理層面, 對成型過程中物料化學成分的變化及粒子之間化學結合方式的研究還處於起步階段. 為了更加清晰地了解制粒成型機理, 需要將物理與化學相結合對制粒成型技術進行深人研究.
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